公式得到：
≈50nm。表明在常温常压下，气体分子的平均自由程是
极短的。
（2）由气体分子的平均自由程还可以求出其平均碰撞频率 =va/λ（常温常压时，va=460m/s）。所以常温常压下，每个 空气分子每秒内要经历1010次碰撞。运动轨迹并不是直线， 而是不断碰撞改变方向。
1.1 气体分子运动论的基本概念
*思考题：平均自由程在制膜中的重要作用？
答影响气体分子到达衬底的分子能量，能量对成膜结构质量有很多影响。 自由程小→碰撞多→气体分子能量↓→薄膜疏松、不致密
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程----补充
（1） 在常温常压条件下，空气分子的有效截面直径d ≈0.5nm。
由T=298K，P=nKT(P=101325Pa），代入
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
真空容器中气体分子运动是混乱的。气体分子进行无规
则热运动的每一时刻，每个分子的运动速率有偶然性，然而，
对于大量气体分子而言，其速率分布遵循统计规律。
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为（GB3163-82）：

低真空： 102Pa 中真空： 102~10-1Pa 高真空： 10-1~10-5Pa 超高真空： 10-5Pa
工业应用（包装） CVD沉积技术 溅射沉积技术 原子表面和界面分析
4. 真空及制膜设备

超高真空条件下，气体分子以在固体上吸附停留为主， 其它真空度时，气体分子以空间飞行为主。
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
为了更深入地理解速率分布函数所表达的意义，以下图 H2和N2分子为例，对其速率分布进行了定量描述。
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
图中表示，总分子数为 107 个、速率间隔 dv 为 1cm/s 时， 在不同速率范围的分子数 。例如， 0 ℃ 的 N2 分子， v 处于 1000-1000.01m/s范围内的分子数大约为9个。 由曲线可知，气体分子的速度具有很大的分布区间，平 衡温度越低，曲线越陡，分子按速率分布越集中；温度越高， 曲线平缓，分子按速率分布越分散。气体分子的相对原子质 量越小，则分子的平均运动速度越大。
1.2 真空的基本概念
1. 何为真空
自然真空 : 地球大气层以外的宇宙真空 （在还平面
上，大气产生的压力为101325Pa，约100KPa，工
程中称为一个标准大气压。而珠峰顶处的气压为
真空
32Kpa，仅为海平面压力的三分之一左右）
人造真空 : 运用科技手段抽掉密闭容器中的气体
迄今为止，采用最高超的真空技术所能达到的最低压力状态 大致为10-12-10-13Pa，还远未达到绝对真空。
1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V
（2） 阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）
p nkT
n为气体分子密度（1/m3）；波尔兹蔓常数k=R/NA=1.38 10-23JK-1； NA为阿伏加德罗常数，6.0231023mol-1


不同的薄膜制备和分析技术队真空度的要求是不同的。
JP450磁控溅射镀膜系统
一．真空沉积系统 二、真空抽气系统 四、电源系统 五、气路系统
三、真空测量系统
等离子增强CVD和热丝CVD复合系统
1.3 真空的获得
对于一个真空系统理论上所能达到的真空度，与真空
泵、真空系统的结构材料、加工工艺、管道等因素有关。


自由程：分子任意两次碰撞之间通过的路程，λ。
分子运动的平均自由程：大量分子多次碰撞自由程
的平均值， 。
或：一个气体分子连续两次碰撞间飞行距离的平均 值称为平均自由程
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程 一个气体分子在两次碰撞之间的平均距离：
1 2 d n
n : 单位体积内的分子数； d : 气体分子的直径
表明在相同压强和温度下，各种气体单位体积含分子数相同（与气体种类无 关）。 在标准状态下，任何气体的分子密度为31019个/m3

1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V （2） 阿伏加德罗定律：（理想气体状态方程的第二种表达方式）
p nkT
推导：
若气体由N个分子组成，每个分子的质量为M，则m=MN。 而1mol气体中的分子数NA=6.0231023，将Mmol=MNA代入理 想气体状态方程，则推出阿伏伽德罗定律。
图1.2 气体流动状态与真空系统
尺寸和气体压力之间的关系
1.2 真空的基本概念
1. 何为真空

物理学上的“真空”是指没有或者不计气体分子和原
子存在的物理空间，仅存在各种能量粒子的场空间；

一般意义上的“真空”并不是指“什么物质也不存 在”。

应用物理与技术所讨论的“真空”――低于一个大气 压力的稀薄气体的空间状态。
1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率 (1) 真空管路中气体的通过能力，
流导C定义为
C Q P1 P2
－－P1和P2为管路两端的气压，Q为单位时间内通过管 路的气体流量。
P1 Q P2
30
1.3 真空的获得
1.气体管路的流导、极限真空度和抽气速率
描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定 程度压力降低。
泵2
真空室
泵1
真空室
泵1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
泵2
并联可以提高抽速
串联可以提高极限真空度
流导的串联和并联
1.3 真空的获得
(2) 极限真空度
指被抽容器不漏气，经真空泵充分抽气后所能达到的最
高真空度。
1.3 真空的获得
(3)真空抽速 真空泵的抽速S定义为
Q S P
---P为真空泵入口处气压，Q为单位时间内通过该处 的气体流量
2. 真空的获得
1.1 气体分子运动论的基本概念
2 气体分子运动速度及其分布 (Maxwell分布）
设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间 的分子数：
dN = Nf(v)dv
f(v)速率分布函数，M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。
物理意义：
1.1 气体分子运动论的基本概念
第一章 薄膜制备的真空技术基础

大部分的现代薄膜材料制备都是在真空或是较低
的气压下进行的，都涉及到气相的产生、输运以
及反应的过程。

因此，这一章中，我们先对有关气体的基本性质
进行简要的回顾，然后对最常用的真空技术的基
础知识进行简单的介绍。
第一章 薄膜制备的真空技术基础

1.1气体分子运动论的基本概念
t N N 2M mol RT N AP

－－N为表面原子密度 常温常压下，洁净表面被杂质完全覆盖所需时3.510-9 s,
在10-8Pa的高真空中，这一时间为10h。
所以，在薄膜制备技术中获得和保持适当的真空度是很重要的。
1.1 气体分子运动论的基本概念
5 气体的流动状态
气体的无规则热运动本身不能导致气体的宏观 流动，只有在空间存在压力差的条件下，气体 作为一个整体才会产生宏观的定向流动。
与水流动类似，平静的小河为层流，波涛汹涌的大海则紊流。 对于管道气：抽口处为紊流，远处则层流。
1.1 气体分子运动论的基本概念
5 气体的流动状态
气体流动可按克努森准数来划分：
Kn = D/ D为容器尺寸； 为平均自由程

分子流状态：Kn 1 中 间 状 态：Kn=1~110 粘滞流状态：Kn 110
1.2真空的基本概念


1.3 各类真空泵简介
1.4 真空测量技术 1.5 几种典型真空系统的建立
1.1 气体分子运动论的基本概念
1. 描述气体分子状态的宏观物理量-P、T、V

理想气体：气体分子之间除了相互碰撞的瞬间外， 完全不存在相互作用。 一般的温度和压力条件下，所有的气体都可以被看 作是理想气体。 真空技术中研究气体时，一般可以应用理想气体状 态方程。
设有N个气体分子的理想气体，在平衡状态速率处在v-(v+dv)之间 的分子数：
dN = Nf(v)dv
f(v)速率分布函数（表明气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与热力学温
度T的比值），M-分子的摩尔质量，T为热力学温度，R为普适气体常数。
f(v)dv=dN/N为速率位于v-(v+dv)区间的相对分子数或分子处于v-(v+dv)间的几率。或者 f(v)dv表示在速率附近，dv速率间隔内的分子数占总分子数的比率。
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程
处于无规则热运动中的气体分子，彼此 间不断碰撞，单位时间内气体分子的碰撞次 数称为碰撞频率。特定种类的气体分子的碰
撞频率与气体分子热运动的速率有关，与气
体的密度有关。
1.1 气体分子运动论的基本概念
3 . 气体分子的平均自由程

碰撞频率：单位时间内气体分子的碰撞次数。
（b）有回流
流 量 泵的极限真空 实际抽速
Q S P P QP S P P（ 1 QP P0 SP P0 Q S S（ ） P 1 P P
QP ） SP P
无回流
有回流
同时考虑真空泵回流、真空容器的泄露、真空管路的流导以及真空容器的容 积等因素之后，整个真空系统的极限真空度总要低于真空泵的极限真空度。